×
13.01.2017
217.015.8544

Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Изобретение относится к области исследования прочностных свойств твердых материалов и может быть использовано для определения усталостной прочности конструкционных материалов, работающих в условиях циклического нагружения. Сущность: осуществляют циклическое нагружение образца в условиях консольного или четырехточечного изгиба в одной плоскости с заданным коэффициентом асимметрии цикла нагружения R на базе заданного количества циклов нагружения N. Используют образец металлического материала, который имеет клиновидную форму рабочего сечения, с концентратором напряжений цилиндрической формы, ось которого ориентирована перпендикулярно плоскости изгиба, причем момент сопротивления рабочего сечения образца асимметричен. Технический результат: определение предела выносливости металлического материала при симметричных и любых асимметричных циклических нагрузках, включая область сжатия. 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к области исследования прочностных свойств твердых материалов и может быть использовано для определения усталостной прочности конструкционных материалов, работающих в условиях циклического нагружения.

Для расчета ресурса конструкций, определения срока их эксплуатации, сравнения и выбора материалов и технологий их производства на этапе конструирования, а также для установления периодичности неразрушающего контроля конструкций необходимо определять предел выносливости материалов, характеризующий способность материала сопротивляться длительным циклическим нагрузкам. Предел выносливости в условиях многоцикловой усталости σ определяется по ГОСТ 25.502-79 как максимальное напряжение в цикле нагружения с коэффициентом асимметрии R, при котором не происходит усталостного разрушения до базы испытаний N циклов. Коэффициент асимметрии цикла нагружения определяется отношением минимального значения напряжения в цикле нагружения к максимальному: R=σminmax.

Для повышения предела выносливости конструкционных материалов применяют упрочняющую поверхностную обработку, например обработку стальными шариками, химико-термическую обработку и другие виды упрочнения поверхности. В результате поверхностного упрочнения возрастает твердость поверхностных слоев и создаются сжимающие напряжения, которые частично компенсируют напряжения растяжения, возникающие в процессе циклического нагружения. Для элементов конструкции, работающих в условиях циклического сжатия, сжимающие напряжения упрочненной поверхности накладываются на сжимающие циклические напряжения от внешней нагрузки и могут приводить к снижению усталостной прочности. В этой связи исследование многоцикловой усталости высокопрочных материалов в условиях преимущественного сжатия имеет первостепенное значение.

Известные способы определения предела выносливости, описанные в стандарте ГОСТ 25.502-79 (прототип), не предусматривают усталостных испытаний металлических конструкционных материалов в области преимущественного сжатия. Определение предела выносливости в условиях осевого сжатия на образцах, изготовленных согласно требованиям ГОСТ 25.502-79, приводит к потере устойчивости образца, в результате чего происходит неравномерное упругопластическое деформирование или разрушение образца. Такие результаты признаются недействительными.

Наиболее близким к предложенному является способ определения предела выносливости металлических материалов в условиях изгиба в одной плоскости, включающий циклическое консольное или четырехточечное нагружение образцов. Используемые в таких испытаниях по ГОСТ 25.502-79 образцы (тип I, V, VI) имеют сечение рабочей зоны в форме круга или прямоугольника, что не позволяет реализовать цикл нагружения в области преимущественного сжатия: при симметричном и асимметричном цикле нагружения в условиях изгиба в одной плоскости сжимающие напряжения с одной стороны образцов всегда равны растягивающим напряжениям с противоположной стороны.

В связи с тем, что предел выносливости конструкционных материалов при растяжении меньше предела выносливости при сжатии (Орлов М.Р., Оспенникова О.Г., Наприенко С.А., Морозова Л.В., «Исследование усталостного разрушения конических шестерен редуктора центрального привода газотурбинного двигателя, изготовленных из стали 20Х3МВФ», Деформация и разрушение материалов, 2014 г., №7, с. 18-26), усталостная трещина всегда начинает развиваться со стороны действия растягивающих напряжений, то есть в результате испытаний по ГОСТ 25.502-79 получают значения предела выносливости материала в условиях симметричного цикла нагружения (R=-1) и асимметричного цикла нагружения с преимущественным растяжением (R=0; 0,5 и др.).

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, - определение предела выносливости металлического материала при симметричных и любых асимметричных циклических нагрузках, включая область сжатия.

Предлагаемый способ определения предела выносливости металлических материалов позволяет при стандартной процедуре нагружения образца в условиях изгиба в одной плоскости реализовать условия преимущественно растяжения и преимущественно сжатия образца за счет изменения формы образца.

Способ определения предела выносливости σRN металлического материала включает циклическое нагружение образца в условиях консольного или четырехточечного изгиба в одной плоскости с заданным коэффициентом асимметрии цикла нагружения R на базе заданного количества циклов нагружения N и отличается тем, что используют образец металлического материала, который имеет клиновидную форму рабочего сечения, с концентратором напряжений цилиндрической формы, ось которого ориентирована перпендикулярно плоскости изгиба, причем момент сопротивления рабочего сечения образца асимметричен.

Асимметрия момента сопротивления рабочего сечения обеспечивает необходимую концентрацию напряжений сжатия в зоне концентратора, величина которых существенно превосходит величину напряжений растяжения на противоположной стороне образца, и этим предопределяет зарождение и развитие усталостной трещины не в зоне действия напряжений растяжения, а в зоне действия максимальных напряжений сжатия. Таким образом, при симметричном (R=-1) и асимметричных циклах нагружения образцов с асимметричным моментом сопротивления рабочего сечения образца определяют предел выносливости конструкционных материалов, в том числе и на образцах с упрочненной поверхностью, в условиях как преимущественного растяжения, так и преимущественного сжатия.

Величина радиуса концентратора напряжений r в пределах значений от 1,0 до 40 мм определяется требованиями подобия испытуемого образца элементу детали или конструкции. Требования к размеру образца и параметры шероховатости рабочей части образцов соответствуют ГОСТ 25.502-79.

Для реализации предлагаемого способа определения предела выносливости были использованы образцы из стали 20ХЗМВФ после серийной термической обработки по режиму: закалка в масло после аустенитизации при температуре 910°С в течение 30 минут и отпуск при температуре 300°С в течение 3 часов. Для усталостных испытаний были изготовлены образцы с клиновидным сечением рабочей зоны по чертежу, приведенному на фигуре 1.

В соответствии с чертежом образца заготовкой для получения профильной поверхности рабочей зоны является шлифованный цилиндр длиной 55 мм и диаметром 10 мм с шероховатостью поверхности не хуже Ra 0,32 мкм. В рабочей зоне заготовки выполняются две выборки радиусом 40 мм, расположенные под углом 60° друг относительно друга. В центральной зоне образца согласно чертежу выполняется концентратор радиусом r=2,5 мм. Шероховатость поверхностей выборок и концентратора должна быть не хуже Ra 0,32 мкм. Плоскости вращения шлифовального круга при обработке поверхностей выборок и концентратора r должны быть перпендикулярны оси образца.

Усталостные испытания образцов стали 20ХЗМВФ с целью определения предела выносливости σRN осуществляют при высокочастотном циклическом нагружении на базе N=106 циклов нагружения в условиях продольного консольного изгиба образца в вертикальной плоскости с контролем изгибающего момента М. Образцы устанавливают в захваты резонансной испытательной установки CRACKTRONIC таким образом, чтобы продольная плоскость симметрии клиновидной рабочей зоны была совмещена с вертикальной плоскостью изгиба.

Испытания проводят методом ступенчатого увеличения размаха изгибающего момента ΔM=Mmax-Mmin на величину 2 Н·м после отработки образца N=106 циклов на предыдущем уровне циклического нагружения. В качестве начального уровня нагружения для всех значений R был выбран размах изгибающего момента ΔΜ=20 Н·м.

В процессе испытаний образцов регистрируют амплитудные значения циклической нагрузки Mmax и Mmin. Амплитудные значения напряжений σmax и σmin в зоне концентратора вычисляют по известной формуле σ=M·Wz, где Wz - момент сопротивления рабочего сечения образца в зоне концентратора, рассчитанный методом конечных элементов с помощью программного комплекса ANSYS R15.0.

Предел выносливости σRN образцов стали 20Х3МВФ определяют как максимальное по модулю значение напряжения в цикле нагружения с коэффициентом асимметрии R, при котором не происходит усталостного разрушения образца при достижении N циклов нагружения. Одновременно регистрируют максимальное значение размаха напряжений в цикле нагружения: Δσ=σmaxmin.

Предложенным способом были определены предел выносливости σRN и предельная величина размаха напряжений в цикле нагружения Δσ стали 20Х3МВФ в диапазоне значений асимметрии цикла нагружения от преимущественного растяжения (R=0,5) до преимущественного сжатия (R=2,0). Результаты испытаний образцов 1а-7а с клиновидным сечением рабочей зоны в режимах 1-7, отличающихся коэффициентом асимметрии цикла нагружения, приведены в таблице.

Для оценки предела выносливости, определенного предложенным способом в области преимущественного растяжения, были испытаны в условиях изгиба в одной плоскости образцы стали 20Х3МВФ, изготовленные согласно ГОСТ 25.502-79, тип I, с диаметром рабочей зоны 5 мм. Результаты испытаний образцов 1б-4б по ГОСТ 25.502-79 для различных значений коэффициента асимметрии цикла нагружения также представлены в таблице. Очевидно, что значения предела выносливости в области преимущественного растяжения, определенные на клиновидных образцах и на стандартных образцах по ГОСТ 25.502-79, тип I, практически совпадают. На стандартных образцах по ГОСТ 25.502-79, тип I определить предел выносливости в области преимущественного сжатия (R=±∞; R=3,0; R=2,0) не представляется возможным в связи с усталостным разрушением этих образцов в зоне преимущественного растяжения.

Результаты усталостных испытаний образцов стали 20Х3МВФ по предлагаемому способу и ГОСТ 25.502-79.

На основании полученных данных можно заключить, что предлагаемый способ позволяет определить предел выносливости металлического материала в области преимущественного растяжения и преимущественного сжатия, причем в области преимущественного растяжения значения предела выносливости совпадают в пределах ошибки эксперимента со значениями, определенными по ГОСТ 25.502-79 на образцах типа I.

Способ определения предела выносливости σ металлического материала, включающий циклическое нагружение образца в условиях консольного или четырехточечного изгиба в одной плоскости с заданным коэффициентом асимметрии цикла нагружения R на базе заданного количества циклов нагружения N, отличающийся тем, что используют образец металлического материала, который имеет клиновидную форму рабочего сечения, с концентратором напряжений цилиндрической формы, ось которого ориентирована перпендикулярно плоскости изгиба, причем момент сопротивления рабочего сечения образца асимметричен.
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 191-200 of 369 items.
25.08.2017
№217.015.b58e

Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к созданию титановых сплавов, предназначенных для использования в качестве высокопрочного конструкционного термически упрочняемого материала. Сплав на основе титана содержит, мас.%: алюминий 1,5-4,5; ванадий 13,5-19,0; хром 2,0-5,0;...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614356
Дата охранного документа: 24.03.2017
25.08.2017
№217.015.b69f

Эпоксидное связующее для производства самозатухающих стеклопластиков методом пултрузии

Изобретение относится к разработке не поддерживающего горение эпоксидного связующего для производства методом пултрузии высокопрочных профильных стеклопластиков электротехнического назначения. Связующее включает галоидсодержащие эпоксидные смолы, отвердитель и ускоритель отверждения, при этом...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614701
Дата охранного документа: 28.03.2017
25.08.2017
№217.015.b6cd

Способ очистки деталей топливных коллекторов газотурбинных двигателей от нагара и углеродных загрязнений

Изобретение относится к области очистки деталей топливного коллектора газотурбинного двигателя от нагара и углеродных загрязнений. Выдержку деталей осуществляют при температуре от 100 до 150°C в водном растворе щелочи, содержащем от 600 до 800 г/л гидроксида натрия и дополнительно содержащем от...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614441
Дата охранного документа: 28.03.2017
25.08.2017
№217.015.b878

Эпоксивинилэфирное связующее, препрег и изделие из него

Изобретение относится к области создания полимерных связующих на основе эпоксивинилэфирного олигомера с наполнителем в виде коротких волокон для полимерных композиционных материалов (ПКМ), получаемых из листового полуфабриката (SMC-препрега) методом прямого прессования (sheet molding compound -...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002615374
Дата охранного документа: 04.04.2017
25.08.2017
№217.015.b994

Способ высокотемпературной термомеханической обработки (α+β)-титановых сплавов

Изобретение относится к области металлургии, в частности к термомеханической обработке (α+β)-титановых сплавов. Предложен способ высокотемпературной термомеханической обработки (α+β)-титанового сплава. Способ включает первую стадию нагрева до температуры ниже температуры полиморфного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002615102
Дата охранного документа: 03.04.2017
25.08.2017
№217.015.bf68

Способ обработки полуфабрикатов из титановых сплавов

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу обработки полуфабрикатов из титановых сплавов преимущественно с двухфазной структурой, и может быть использовано в авиационной технике и машиностроении. Заявлен способ обработки полуфабрикатов из титановых сплавов с двухфазной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002617188
Дата охранного документа: 21.04.2017
25.08.2017
№217.015.bfbe

Способ модифицирования магниевых сплавов

Изобретение относится к области металлургии легких сплавов и может быть использовано при производстве магниевого сплава системы магний-алюминий-цинк-марганец, содержащего примесь циркония. В способе перед модифицированием при температуре 770-780°C в расплав вводят кальций и железо в количестве...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002617078
Дата охранного документа: 19.04.2017
25.08.2017
№217.015.c2f1

Способ получения слоистого металлостеклопластика

Изобретение относится к области получения композиционных слоистых материалов и касается способа получения слоистого металлостеклопластика. В соответствии со способом укладывают по меньшей мере три металлических слоя, причем каждый слой состоит из отдельных уложенных по меньшей мере двух...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002618072
Дата охранного документа: 02.05.2017
25.08.2017
№217.015.c308

Защитная газовая смесь для обработки магниевых сплавов

Изобретение относится к области металлургии сплавов и может быть использовано при производстве магниевых сплавов, не содержащих цирконий. Защитная газовая смесь для обработки магниевого сплава, не содержащего цирконий, включает, мас.%, углекислый газ 75-90, шестифтористую серу 0,5-1,0, воздух...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002618040
Дата охранного документа: 02.05.2017
25.08.2017
№217.015.c333

Способ получения жаропрочного сплава на основе ниобия

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на основе ниобия, которые могут быть использованы для изготовления рабочих лопаток ГТД. Способ получения жаропрочного сплава на основе Nb-Si включает загрузку шихты в тигель, выплавку в вакуумной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002618038
Дата охранного документа: 02.05.2017
Showing 191-200 of 335 items.
25.08.2017
№217.015.b58e

Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к созданию титановых сплавов, предназначенных для использования в качестве высокопрочного конструкционного термически упрочняемого материала. Сплав на основе титана содержит, мас.%: алюминий 1,5-4,5; ванадий 13,5-19,0; хром 2,0-5,0;...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614356
Дата охранного документа: 24.03.2017
25.08.2017
№217.015.b69f

Эпоксидное связующее для производства самозатухающих стеклопластиков методом пултрузии

Изобретение относится к разработке не поддерживающего горение эпоксидного связующего для производства методом пултрузии высокопрочных профильных стеклопластиков электротехнического назначения. Связующее включает галоидсодержащие эпоксидные смолы, отвердитель и ускоритель отверждения, при этом...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614701
Дата охранного документа: 28.03.2017
25.08.2017
№217.015.b6cd

Способ очистки деталей топливных коллекторов газотурбинных двигателей от нагара и углеродных загрязнений

Изобретение относится к области очистки деталей топливного коллектора газотурбинного двигателя от нагара и углеродных загрязнений. Выдержку деталей осуществляют при температуре от 100 до 150°C в водном растворе щелочи, содержащем от 600 до 800 г/л гидроксида натрия и дополнительно содержащем от...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614441
Дата охранного документа: 28.03.2017
25.08.2017
№217.015.b878

Эпоксивинилэфирное связующее, препрег и изделие из него

Изобретение относится к области создания полимерных связующих на основе эпоксивинилэфирного олигомера с наполнителем в виде коротких волокон для полимерных композиционных материалов (ПКМ), получаемых из листового полуфабриката (SMC-препрега) методом прямого прессования (sheet molding compound -...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002615374
Дата охранного документа: 04.04.2017
25.08.2017
№217.015.b994

Способ высокотемпературной термомеханической обработки (α+β)-титановых сплавов

Изобретение относится к области металлургии, в частности к термомеханической обработке (α+β)-титановых сплавов. Предложен способ высокотемпературной термомеханической обработки (α+β)-титанового сплава. Способ включает первую стадию нагрева до температуры ниже температуры полиморфного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002615102
Дата охранного документа: 03.04.2017
25.08.2017
№217.015.bf68

Способ обработки полуфабрикатов из титановых сплавов

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу обработки полуфабрикатов из титановых сплавов преимущественно с двухфазной структурой, и может быть использовано в авиационной технике и машиностроении. Заявлен способ обработки полуфабрикатов из титановых сплавов с двухфазной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002617188
Дата охранного документа: 21.04.2017
25.08.2017
№217.015.bfbe

Способ модифицирования магниевых сплавов

Изобретение относится к области металлургии легких сплавов и может быть использовано при производстве магниевого сплава системы магний-алюминий-цинк-марганец, содержащего примесь циркония. В способе перед модифицированием при температуре 770-780°C в расплав вводят кальций и железо в количестве...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002617078
Дата охранного документа: 19.04.2017
25.08.2017
№217.015.c2f1

Способ получения слоистого металлостеклопластика

Изобретение относится к области получения композиционных слоистых материалов и касается способа получения слоистого металлостеклопластика. В соответствии со способом укладывают по меньшей мере три металлических слоя, причем каждый слой состоит из отдельных уложенных по меньшей мере двух...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002618072
Дата охранного документа: 02.05.2017
25.08.2017
№217.015.c308

Защитная газовая смесь для обработки магниевых сплавов

Изобретение относится к области металлургии сплавов и может быть использовано при производстве магниевых сплавов, не содержащих цирконий. Защитная газовая смесь для обработки магниевого сплава, не содержащего цирконий, включает, мас.%, углекислый газ 75-90, шестифтористую серу 0,5-1,0, воздух...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002618040
Дата охранного документа: 02.05.2017
25.08.2017
№217.015.c333

Способ получения жаропрочного сплава на основе ниобия

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на основе ниобия, которые могут быть использованы для изготовления рабочих лопаток ГТД. Способ получения жаропрочного сплава на основе Nb-Si включает загрузку шихты в тигель, выплавку в вакуумной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002618038
Дата охранного документа: 02.05.2017
+ добавить свой РИД